一種基于混沌和計算全息的光學加密方法

專利名稱：一種基于混沌和計算全息的光學加密方法
技術領域：
本發明屬于信息安全技術領域，具體涉及一種基于混沌和計算全息的光學加密方法。
背景技術：
20世紀90年代以來，隨著計算機硬件、軟件的發展以Internet的產生將人們帶入信息社會，信息技術得到迅猛發展。數據加密、防偽和安全認證等信息安全問題也隨著變得越來越重要。在計算機和電子信息加密技術得到廣泛應用的同時，由于光學成像系統的特殊性，光波是一種多維的信息載體，具有振幅、相位、空間頻率、偏振等多種編碼屬性，光學加密技術的研究也得到了快速的發展。另外，光學和光電信息加密與防偽技術憑借其并行性、高速度和低成本而顯得倍受人們的青睞。在已提出的光學加密原理和技術中，最引人注目的是由Philippe Refregier和Bahram Javidi于1995年提出的雙隨機相位加密技術方案，而且后來也有許多改進方法的報道。但是利用傳統的隨機相位等編碼方法，產生的加密數據往往是復數，采用傳統記錄全息圖的方式進行記錄及存儲，很難通過網絡進行傳輸，而且密鑰數據量非常大。同時如果最后不作數字化處理或轉換，則信息必須用光學方法重現，所以也很難實現互聯網上的實時傳輸和異地顯示。

發明內容
針對上述現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種基于混沌和計算全息的光學加密方法。該方法成功地利用混沌序列構成隨機相位列陣對物光波進行調制編碼，并采用修正離軸參考光的博奇編碼法，基于計算全息實現了光學加密和解密。所述的一種基于混沌和計算全息的光學加密方法，其特征在于該方法包括以下具體步驟:構造步驟，利用混沌序列構造隨機相位列陣密鑰；計算步驟，計算全息圖光強分布；編碼步驟，采用計算全息博奇編碼法生成加密密文信息；解密步驟，解密明文信息；所述的一種基于混沌和計算全息的光學加密方法，其特征在于，所述構造步驟中，所述的隨機相位列陣是先由混沌序列排列成的二維、大小等同于待加密明文信息的矩陣，然后將該矩陣讀入到相位信息上構造而成的。所述的一種基于混沌和計算全息的光學加密方法，其特征在于，所述構造步驟中，所述的混沛序列是利用logistic混沛映射生成的,其中，logistic混沛映射的定義:xn+1 = μ Xn(1-Xn)式中，μ為系統參數，且 μ e
。XnG (0，I)。所述的一種基于混沌和計算全息的光學加密方法，其特征在于，所述計算步驟中，所述的計算全息圖光強分布具體包括如下步驟:步驟一.計算變換平面的波前分布:由密鑰參數(RPM1, Z1, λ)計算出輸入平面到變換平面前的菲涅耳衍射(ErT)的復振幅分布T(Xpy1):/(X1 ,y,) = FrTh {/(χ,少)exp[/2;rM,(x,^)]}式中，FrT表示菲涅耳衍射，f(x，y)為待加密明文信息，RPM1為由所述構造步驟構造而成的緊貼輸入平面的第一個隨機相位列陣，Z1 SRPM1到變換平面的距離，λ為系統波長；步驟二.計算輸出面的波前分布:由密鑰參數(RPM2, ζ2, λ)計算出變換平面到輸出平面前的菲涅耳衍射的復振幅分布 f (x2, J2):/(X2 ,^2)= FrT7i [/(X1，)exp[j2nM2 (x,,y,)]}式中=RPM2為由所述構造步驟構造而成的置于變換平面的第二個隨機相位列陣，Z2為RPM2到輸出面的距尚；步驟三.計算輸出面上全息圖光強分布:弓丨入參考光R與f(x2，y2)干涉，計算出輸出平面上全息圖的光強分布為:I (x2, y2) = R+f (x2, y2) |2所述的一種基于混沌和計算全息的光學加密方法，其特征在于，所述編碼步驟中，所述的密文信息是由所述計算步驟中得到的全息圖光強分布采用計算全息博奇編碼而成的，其中，博奇編碼計算全息的光強分布為:
l{x2 ,^2) = 0.5(1 + A(x2 , )cos[^ -式中:Α(χ2，y2)是歸一化振幅，爐和Φ分別表示輸出面兩波前的相位。所述的一種基于混沌和計算全息的光學加密方法，其特征在于，所述解密步驟中，所述的明文信息是由R的共軛參考光R*照射密文信息，經所述計算步驟的逆過程得再現光f*(x2, y2):/* (χ, y) = FrTzi [FrT^\f (x2, exp[/'2^M 2 (X1,少,)]}εχρ[/2ττΜ, (x, y)]取絕對值得到:f*(x, y) I2 = |f(x, y) |2原明文信息得到恢復。本發明的一種基于 混沌和計算全息的光學加密方法，與現有技術相比，存在如下有益效果:I)可選擇性強，計算全息技術具有可以選取任意波長、任意調整系統結構參數、可以記錄自然界不存在的虛擬物體的優點；2)密鑰的數據量小，混沌序列初始值作為密鑰，不但壓縮了密鑰的數據量，而且不再有隨機相位列陣存儲和傳送的困難；3)數字化的加密圖有利于信息的保存和傳輸；4)安全性能高，混沌序列對初始值非常敏感，初始值有非常小的變化，都會使隨機相位分布產生巨大變化而導致解密結果的失敗，大大提高了安全性。


圖1為本發明的光學加密原理不意圖。圖2為本發明的光學解密原理示意圖。圖3為本發明的實現計算流程。圖4為本發明待加密明文。圖5為本發明實施過程中的加密密文。圖6為本發明實施過程中解密明文。
具體實施例方式以下結合說明書附圖及對發明作進一步的描述:所述的本發明光學加密原理示意圖如圖1所示，其中從左到右的三個平面分別為輸入面(X, y)、變換平面(X1, Y1)和輸出面(X2, I2) O f(x, y)為輸入面的待加密明文信息，f (X1, Y1)為變換平面的波前分布，f(x2, I2)為輸出面的波前分布，RPM1和RPM2分別為兩個由混沌序列構造的隨機相位列陣密鑰，Z1為RPMi到變換平面的距離，Z2為RPM2到輸出面的距離。R為計算全息引入的參考光。所述的本發明光學解密原理示意圖如圖2所示，解密原理示意圖是上述所述加密原理示意圖的逆過程，R*為圖1中R參考光的共軛光波。所述的本發明計算流程圖如圖3所示。所述的本發明利用混沌序列構造隨機相位列陣(RPM)密鑰具體步驟為:選定密鑰參數值(Xltl, U1)和(X2tl, μ2)由混沌映射生成兩個混沌序列，然后分別構造二維、大小等同于待加密明文信息的兩個矩陣M1和M2,將矩陣M1和M2分別讀入到相位信息上來得到exp[j2 Ji M1]和exp[j2 Ji M2]，即所述的第一個隨機相位列陣RPM1和第二個隨機相位列陣RPM2。所述的本發明選取混沛映射的是logistic混沛映射，其定義為:xn+1 =μ Xn(1-Xn),式中，μ 為系統參數,且 μ e
。Xn e (0,1)。所述的本發明構建的混沌序列的隨機相位列陣，構建RPM1時，取μ i = 3.77, X10 =0.33。所述的本發明構建的混沌序列的隨機相位列陣，構建RPM1時，取μ 2 = 3.89, X20 =
0.41。所述的本發明選取的系統結構密鑰參數λ = 632.8nm, Z1 = 300mm, z2 = 550mm。所述的本發明選用的待加密明文信息為灰度級為256、像素為256X256的‘花丼’圖像，明文如圖4所示。

如圖1所示，加密過程中，當系統被波長為λ的平面光波垂直照射時，在輸出面(X2，I2)得到經過調制后的待加密明文信息波前f(x2，y2)。加密時，輸入待加密明文信息f(x，y)在輸入面(χ，y)受到第一個相位列陣RPM1調制，經過系統結構參數密鑰為的U，Z1)的菲涅耳衍，在變換平面(Xl，Y1)得到波前復振幅分布f(Xl，Y1)為:/(X1 ,^1) = FrT2i {f{x, y)exp[;2^Mt (x，少 ，式中，FrT表示菲涅耳衍射，然后，再經過第二個相位列陣RPM2的調制和系統結構參數密鑰為(λ，ζ2)的菲涅耳衍射，在輸出平面(χ2，I2)得到波前復振幅分布 f (X2，y2)為:f(x2，少2) = FrTz2 {/(^1, )exp[y2^M2 (X1, γ,)]}，引入參考光R與f(x2，I2)干涉，在輸出平面(x2，I2)得到全息圖的光強分布:Ι(χ2，I2) = R+f(x2, y2) I2，最后，計算全息采用博奇編碼重新編碼得到加密密文，如圖5所示，其中，博奇編碼計算全息的光強分布為:I(χ2,Y2) = .0.5{1 + A(χ2,Y2);；2)(χ |^-(ζφ，Κ
中:A(x2，y2)是歸一化振幅，P和φ分別表示輸出面兩波前的相位；解密時，如圖2所示，用R的共軛參考光R*照射密文信息1 ( ，y2)，得到再現光f* (x2，I2)，對f* (x2，I2)進行一次系統結構參數密鑰為的(λ，ζ2)菲涅爾衍射；然后乘以RPM2;再進行一次系統結構參數密鑰為的(入，Z1)菲涅爾衍射，再乘以RPM1，得到光場復振幅的復共軛:
(尤，y) = FrTz' [FrTzi\f (x2，y2 ^ exp[y2^M2 (X1，γ, )]}exp[72^M, (x,少)]，而:I f* (x, y) 12
=|f(x，y) I2，原明文得到恢復，如圖6所示。本發明技術優點是:計算全息技術不僅可以使加密信息數字化，有利于信息的保存和傳輸，而且還具有可以選取任意波長、任意調整系統結構參數、可以記錄自然界不存在的虛擬物體等優點。利用混沌序列構成相位列陣，該列陣具有類隨機性和很好的保密性，用它的初始狀態值作為密鑰可以完全確定隨后的混沌序列，從而不再有相位列陣存儲和傳送的困難，并能壓縮密鑰數據量。即使初始狀態有非常小的差異也會導致產生的不同混沌序列從而導致相位列陣之間存在巨大差別，大大提高了安全性。本發明方法結合了混沌和計算全息的各自優勢成功實現了光學加密和解密，進一步豐富和完善了光學加密技術。
權利要求
1.一種基于混沌和計算全息的光學加密方法，其特征在于該方法包括以下具體步驟: 構造步驟，利用混沌序列構造隨機相位列陣(RPM)密鑰； 計算步驟，計算全息圖光強分布； 編碼步驟，采用計算全息博奇編碼法生成加密密文信息； 解密步驟，解密明文信息。
2.根據權利I所述的一種基于混沌和計算全息的光學加密方法，其特征在于，所述構造步驟中，所述的隨機相位列陣(RPM)是先由混沌序列排列成的二維、大小等同于待加密明文信息的矩陣M，然后將矩陣M讀入到相位信息上構造而成的。
3.根據權利I所述的一種基于混沌和計算全息的光學加密方法，其特征在于，所述構造步驟中，所述的混沛序列是利用logistic混沛映射生成的,其中，logistic混沛映射的定義:
4.根據權利I所述的一種基于混沌和計算全息的光學加密方法，其特征在于，所述計算步驟中，所述的計算全息圖光強分布具體包括如下步驟: 步驟一.計算變換平面U1，Y1)的波前分布: 由密鑰參數(RPMpz1, λ)計算出輸入平面(x，y)到變換平面(Xl，yi)前的菲涅耳衍射(FrT)的復振幅分布f (X1, y!):
5.根據權利I所述的一種基于混沌和計算全息的光學加密方法，其特征在于，所述編碼步驟中，所述的密文信息是由所述計算步驟中得到的全息圖光強分布采用計算全息博奇編碼而成的，其中，博奇編碼計算全息的光強分布為:
6.根據權利I所述的一種基于混沌和計算全息的光學加密方法，其特征在于，所述解密步驟中，所述的明文信息是由R的共軛參考光R*照射密文信息，經所述計算步驟的逆過程得再現光f"(x2，Y2):
全文摘要
一種基于混沌和計算全息的光學加密方法。該方法成功地利用混沌序列構成隨機相位列陣對物光波進行調制編碼，并采用修正離軸參考光的博奇編碼法，基于計算全息實現了光學加密和解密。屬于信息安全技術領域。解密時，該方法只要獲得正確的混沌序列初始值，即可得到隨機相位列陣，并結合正確的系統結構參數，從而可以重建清晰的原始圖像。與傳統的隨機相位加密相比，混沌序列初始值作為密鑰，從而不再有相位列陣存儲和傳送的困難，大大壓縮了密鑰的數據量，同時計算全息技術加密信息的數字化更有利于信息的保存和傳輸。
文檔編號H04L9/00GK103117847SQ201210596520
公開日2013年5月22日 申請日期2012年12月24日 優先權日2012年12月24日
發明者金偉民, 劉健 申請人:浙江師范大學